10强化传热技术及新型热交换器.

强化传热技术及新型热交换器换热器是实现热交换过程的设备。它广泛应用于电力、化工、炼油、制冷、低温、冶金、建材、环保、航天、航空、食品、轻工、医药等部门，是量大面广的通用设备。以石油化工为例，各种换热器重量占工艺设备总重的40%。在年产30万吨的乙烯装置中，各种换热器达300-500台。换热器研究进展主要反映在：（1）将壳程强化传热技术应用于管壳式换热器（2）在换热器中采用各种异形管和异形翅片管（3）利用诱导振动强化换热器中的换热过程（4）将蜂窝陶瓷用于蓄热式换热器中典型两流程固定管板式管壳式换热器管壳式换热器三流程管壳式换热器四流程管壳式换热器浮头式管壳式换热器U形管管壳式换热器管壳式换热器典型折流板管壳式换热器有不同的管子排列方式。正方形排列三角形排列三角形排列强化壳程的换热的途径有两种：1、改变管子的外形或在管外加翅片，即通过管子形状和表面特性的改变来强化传热,如螺旋槽管、横纹管、外翅片管等；2、改变壳程挡板或管间支撑物，以减小或消除壳程流动和传热的滞留死区，使传热面积得到充分利用。在管壳式换热器中与管内的换热相比，壳程的换热往往要弱得多，因此强化壳程的换热就显得很重要。折流板与折流型式-1折流板也有不同的形式，由于折流板形式不同，壳侧折流的情况也不一样。折流板的作用：1）作为管子的支撑结构；2）使壳侧流体提高流速并横掠管束，从而强化传热。折流板的缺点：1）壳侧流动阻力大；2）存在流动死区和折流板孔隙的漏流，使实际传热效果低于理论值；3）引起诱导振动，从而导致管子断裂。漏流损失主流壳间的间隙漏流折流板孔隙漏流1）漩涡脱落；2）紊流抖振；3）流体弹性激振。流体横掠管束引起诱导振动的原因：紊流能谱及其响应：流体横掠速度与振动振幅：1）管子互相碰撞，当管子振动振幅大到足以使相邻管子经常撞击时，就会使管壁磨损变薄，直至破坏；2）管子与折流板孔壁因振动而不断撞击，从而引起管子破裂；3）振动使管子与管板连接处受到很大的应力，久而久之就造成胀接和焊接点因应力而损坏，并造成接头泄漏；4）管子因振动反复弯折而引起应力疲劳，长时间连续振动就会导致管子破裂；5）振动引起应力脉动，会使管材中的微观缺陷扩展，直至产生裂纹。诱导振动对换热器的损伤主要表现在：减少诱导振动的措施有：1）降低横掠管束的流速；2）提高传热元件的固有频率，如增加管壁厚度、减少管子跨度等。显然，这两个措施是矛盾的。若要减少管子跨度，就需增加折流板的数目。而折流板的数目增加，又会使横掠管束的流速增加。此时为减小流速，就只有增加壳体的直径，而且流速降低会使换热系数下降。最有效的防止诱导振动的方法是使流体由横掠管束改为纵掠管束。但纵掠管束的换热系数又不如横掠管束。这也是一对矛盾。这也正是新型折流杆管壳式换热产生的背景。诱导振动的减少与防止改进板式支撑结构双弓形及多弓形折流板螺旋折流板整圆形隔板花隔板折流板与折流型式-2折流板与折流型式-3螺旋折流板是将传统的垂直弓形板换成螺旋状或近似于螺旋状的折流板，折流板与换热器壳体的横断面有一个倾斜角度，从而使流体在壳程沿螺旋通道流动将壳程流体由横掠管束改为纵掠管束就能完全消除流动死区并防止管子产生诱导振动。但众所周知流体横掠管束的换热高于纵掠管束。因此为了实现流体纵掠管束并使换热得以强化，就出现了各种整圆形隔板。最初出现的整圆形大孔隔板就是在圆形隔板上钻比管子大的圆孔，既让管子通过，又有足够的间隙让流体通过。这种整圆形隔板制造方便、因流体纵掠管束流动阻力小、可适当提高壳侧流速以增强壳侧的换热；管内外流体亦可布置成全逆流式，以增大传热温差。此外由于管壁与孔板之间的环形间隙对流体可产生射流作用，既增强了传热，又使管壁不易结垢。但采用整圆形大孔隔板不但增大了换热器的直径，而且由于管子缺乏支撑，管束的抗振能力很差。为了改进整圆形大孔隔板的不足，出现了带小孔的整圆形隔板，即在管孔之间开小孔，使传热流体由小孔通过，这样就不用增大壳体的直径。但带小孔的整圆形隔板管子和管孔之间的间隙很容易结垢，引起腐蚀。为了克服这一缺陷，出现了矩形孔、梅花孔等异形孔的整圆形隔板。当隔板间距为50mm时，梅花孔板的传热系数是矩形孔板的1.5~1.6倍花隔板是我们在整圆形隔板的基础上提出的一种新型壳侧支撑结构。所谓花隔板是在圆形隔板的四个象限的某一象限或两个象限（最多三个象限）上开有管孔，作为管束支撑，而未开管孔的象限则是空的，或钻有很大的孔，作为流体的通道。花隔板交替布置，相邻两块隔板的空缺部分相差一个相同的角度，即后一块隔板相对于前一块隔板绕中心轴线顺时针或逆时针旋转一个角度，此角度可以是30°，60°或90°等，如此往复。这样的结构就可以使流体在纵向流动的同时发生偏转以达到强化换热的目的。这种结构的最大优点是既能强化换热，又简化了换热器的制造。花隔板的试验研究换热器壳体尺寸为Φ159mm×5mm，为标准生产件。换热管尺寸Φ16mm×0.8mm，材料为铬镍钢，有效换热长度是1473mm，隔板采用拉杆固定，共4根拉杆，拉杆外径为12mm。花隔板共8块，板间距为170mm，花隔板芯体中换热管采用正方形布置，管间距为20mm。壳侧进口与第一块隔板间距为175mm。两块花隔板旋转的角度为90°。花隔板换热器与折流板换热器综合性能K/Δp比较图由图可知，在壳侧流体体积流量相同的情况下，花隔板换热器的综合性能K/Δp比折流板换热器综合性能K/Δp高10％～30％。采用其它支撑结构杆式支撑结构空心环支撑结构管子自支撑结构为了解决传统折流板换热器因流体横掠管束所引起的诱导振动，出现了杆式支撑结构，即所谓的折流杆换热器。其主要特点是：壳程不再设置折流板，而由折流杆组成的折流圈来代替折流板，它既对管子起支撑作用，又对流体起扰动作用，藉以达到强化传热的目的。新型换热设备——折流杆管壳式换热器换热器种类繁多，结构各异，其中管壳式换热器应用最广，约占各类换热器总量的70%。折流杆换热器（Rodbaffleheatexchanger)的简介折流杆换热器是1970年由美国菲利浦石油公司首创的。而我国在80年代初期开始研究折流杆换热器，最先是应用在石油化工行业上，近几年我国自主开发折流杆换热器的工作取得迅速发展，折流杆换热器在逐渐被人们认识的同时，也将逐步取代折流板换热器。折流杆换热器（Rodbaffleheatexchanger）的特点1）以折流杆所组成的折流栅来代替传统的折流板。折流杆对管子起支撑作用，又对流体起扰动强化传热作用。2）将流体横掠管壳改作纵掠管束，从而从扰动的源头上有效的防治诱导振动的产生。折流板换热器芯折流杆换热器芯折流杆管壳式换热器的结构-1：折流杆管壳式换热器的结构-2：折流杆管壳式换热器的结构-3：折流杆管壳式换热器的结构-4：折流杆管壳式换热器的结构-5：折流杆管壳式换热器的结构-6：折流杆管壳式换热器的结构-7：折流杆管壳式换热器的优点1）由于壳侧流体是纵掠管束，防止了诱导振动的产生，提高了换热器的安全性。2）大大减少了壳侧流体的流动阻力，降低了管侧的泵功，节约能源。3）由于折流杆增强了流体的扰动，减少了横掠管束时的流动死区和漏流损失。从而强化了壳侧的换热，即壳侧的换热系数不但不低于横掠时换热系数，而且视壳侧介质、流速以及有无相变等情况，传热系数反而可提高5%-30%。4）减少了污垢的沉积和腐蚀的产生，提高了换热器的使用寿命。对折流杆管壳式换热器，课题组进行了系统的研究，为折流杆换热器的设计和壳换热器的改造积累了丰富的资料。研究包括：1）不同的传热介质（水-水、水-蒸汽凝结、水-油、水-空气等）；2）不同的折流栅的间距（等间距、不等间距）；3）不同的折流形状（圆形杆、方形杆等）；4）不同的管子布置方式（正方向、三角形等）；5）折流杆和管子间的不同组合方式（四杆夹一管、四杆夹二管等）。折流杆管壳式换热器已在国内逐步推广。其中在石油、化工行业已取得明显的成效。如呼和浩特炼油厂常减压装置上一次就使用8台折流杆换热器。其每台传热面积比原折流板换热器减少30%，折流杆冷凝器也应用于20个炼油厂。但是，在电力行业方面一直未得到充分应用。课题组与茂名市茂港电力设备厂合作，已将其成功应用在电厂的海水闭式冷却器和低压加热器上。应用举例1-折流杆海水闭式冷却器华能汕头电厂2号机闭式冷却器是俄供产品，单台机组设置两台100%容量的铜管折流板式换热器，按俄罗斯设计要求，正常运行时一台冷却器工作，另一台冷却器备用，实际两台冷却器均投入运行。俄产铜管折流板式冷却器在运行中经常出现断管泄漏，断管数每年超过200根/台。华能汕头电厂本次闭冷器改造，是将2号机两台俄产铜管折流板式冷却器中的其中一台，更换为茂名市港电力设备厂生产的单台100%容量钛管折流杆式冷却器，要求改造后的闭冷器正常运行时，单台新闭冷器工作，另一台旧闭冷器备用。钛管折流杆式大型水—水冷却器，在我国电力系统应用，尚属首例。通过详细分析、精心设计、周密计算，确定了华能汕头电厂闭冷器改造方案，根据这一方案制造出了我国第一台钛管折流杆式大型水—水冷却器。该台钛管折流杆式水—水冷却器2001年12月9日运抵华能汕头电厂安装，2001年12月30日投入运行，经过10个月的运行后，由广东省电力试验所对该台设备进行了测试。性能测试报告设计参数a.闭冷水工作压力（MPa）p2’=0.45工作压力（MPa）ps=0.6出口温度（˚C）t1”35水量（m3/h）V1=2600b.循环冷却水（海水）工作压力（MPa）pt’=0.1工作压力（MPa）pt=0.6出口温度（˚C）t1”32水量（m3/h）V2=3700项目状态参数改造前改造后型号or760BLQ-1000型式铜管折流板式钛管折流杆式台数2台/机1台/机运行台数2台/机1台/机外形尺寸9540×1200mm9515×1495mm冷却面积760M2/台954M2/台闭冷水流量1300M2/h•台2600M2/h•台海水流量3700M2/h•台3700M2/h•台改造前后闭冷器参数试验结果评价试验换热系数在2900~3230W/(m2℃)范围之间，大于设计的换热系数，分析认为主要有以下几方面的因素：a.循环水流量超过设计值3700m3/h约750m3/h，增大了管侧的换热系数；b.闭冷水流量超过设计值2600m3/h约140m3/h，增大了壳侧的换热系数；c.由于换热器管材为钛管，同时水流速度较大，管壁两侧不易结垢，运行10个月后，污垢热阻仍较小。试验结果评价-经济性分析a.新型折流杆式换热器一台的换热性能达到了改造前两台折流板式换热器的效果，减少了循环水量，节约了能源。根据试验，改造前两台折流板式换热器需要7400m3/h的循环水量，改造后为4450m3/h，节约了2950m3/h的循环水量，相当于循环水泵节约用电325KW，全年可节省厂用电250万度，节约费用50万元。试验结果评价-经济性分析b.同时又解决了闭冷器换热管经常断裂的问题，避免了经常检修换管，提高了设备的投入率和机组运行的安全性，降低了劳动强度和劳动时间，节约了资源。根据改造前的检修经验和记录，平均每两年对换热管全部更换，费用高达一百多万。根据分析，新型折流杆式换热器既节约了能源，又降低了设备的检修费用，新型折流杆式换热器的改造费用成本一般可以在18个月的运行时间收回。结论利用新型折流杆换热器改造旧的折流板换热器，解决了闭冷器管子断裂问题，并用一台取代两台运行，减化了系统，节约了能源和资源，费用成本回收时间短，具有重要的推广价值。a.闭冷器出口端差均值为1.9℃，小于设计要求值2.5℃，满足改造厂家要求。b.新型折流杆闭冷器较传统的折流板式换热器换热性能明显增强，管道系统简单明了。c.折流杆消除了壳程流体流动死区，增加了有效换热面积，强化了传热，提高了传热效率，试验证明，华能汕头发电厂2号机组闭冷器换热系数达到2900~3230W/m2.℃范围，同时减少了污垢沉积和腐蚀。鉴定报告应用举例2-折流杆低压加热器韶关发电厂#8汽轮机组表面式加热器性能试验报告广东省电力试验研究所广东省韶关发电厂概述长